Optischer Trennverstärker
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Bau- und Bedienungsanleitung Best.-Nr.: 36901 Version 3.0, Stand: April 2003 Optischer Trennverstärker für analoge Audiosignale Diese Schaltung ermöglicht die optoelektronische Übertragung von analogen Stereo-Signalen im Frequenzbereich von < 20 Hz bis > 40 kHz mit ausgezeichneter Signalqualität. Der Klirrfaktor beträgt bei 1 kHz und Vollausteuerung weniger als 0,05 %. Allgemeines Bei der Verkopplung von analogen Audiokomponenten kann es aufgrund von unterschiedlichen Masse-Bezugspunkten zu Störungen (z. B. Brummen) kommen. Besonders bei der Übertragung von analogen Signalen über größere Entfernungen tritt dieses durch Masse-Potentialdifferenzen verursachte Problem häufig auf. Aber auch der Anschluß von analogen Audiogeräten an PC-Soundkarten ist oft mit ähnlichen Schwierigkeiten behaftet. Da derartige Probleme mit einfachen Mitteln nicht in den Griff zu bekommen sind, bleibt nur eine galvanisch getrennte Übertragung der Toninformationen, für die man in der Regel Trennverstärker verwendet. Bei entkoppelten Signalbezugspunkten können sich Spannungsdifferenzen nicht mehr auswirken, und die gegenseitige Beeinflussung der analogen Komponenten durch Masseschleifen wird verhindert. Die naheliegendste und einfachste Problemlösung scheint auf den ersten Blick ELVjournal 3/99 eine transformatorische Kopplung in den beiden Audio-Signalwegen des rechten und linken Stereokanals zu sein. In der Praxis ist dieser Lösungsweg jedoch mit einer ganzen Reihe von Schwierigkeiten behaftet, und ohne teure Spezialübertrager kann nicht die gewünschte Übertragungsbandbreite von 20 Hz bis 20 kHz erreicht werden. Ein wesentlicher Nachteil ist die sich in Abhängigkeit von der Übertragungsfrequenz stark verändernde Ein- und Ausgangsimpedanz. Eine universell einsetzbare galvanische Trennung ist daher bei transformatorischer Kopplung nur mit zusätzlicher Elektronik (Anpaßverstärker) auf der Primär- und Sekundärseite des Übertragers möglich. Als weitere Nachteile kommen störende Resonanzeffekte hinzu. Als Alternative zum Transformator bietet sich die optoelektronische Signalübertragung für einen Isolierverstärker an. Für digitale Impulstelegramme ist dies mit herkömmlichen Optokopplern einfach und preiswert realisierbar. Wenn jedoch analoge Spannungen bzw. Ströme in proportionale Lichtintensitäten umgesetzt werden sollen, ist dies nur mit SpezialOptokopplern zu realisieren. Ein derartiger Trennverstärker ist mit dem linearen Optokoppler IL 300 von Siemens realisierbar, der zudem mit wenig externer Beschaltung auskommt. Mit einer Gleichtaktunterdrückung von 130 dB, einer Stabilität von ± 50 ppm/°C und einer Linearität von 0,01 % weist dieTechnische Daten: Optischer Trennverstärker Stereo-Eingang: ...... 2 x Cinch-Buchse Eingangspegel: .... nominal 775 mVeff (max. 1,4 Veff) Stereo-Ausgang: .... 2 x Cinch-Buchse Verstärkung: ................................0 dB Frequenzgang: ................. < 20 Hz bis > 40 kHz (± 1 dB) Klirrfaktor: ...... 0,05 % bei 1 kHz und 775 mVeff Linearität: ................................ 0,01 % Betriebsanzeige: ......................... LED Betriebsspannung: ........230 V / 50 Hz Abmessungen (L x B x H): .......... 147 x 80 x 46 mm 1 Bau- und Bedienungsanleitung 1 8 IL300 2 7 K1 K2 3 6 4 5 993170104A Bild 1: Interner Aufbau und die Pinbelegung des Linear-Optokopplers IL 300 ses Bauteil hervorragende Leistungsmerkmale auf. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Optokopplern, die ausschließlich für die Übertragung digitaler Schaltzustände entwikkelt wurden, spielen bei der linearen Übertragung von Strom und Spannung Störgrößen wie Betriebs- und Umgebungstemperatur, Nichtlinearität sowie alterungsbedingte Änderungen der elektrischen Parameter eine entscheidende Rolle. Um diese Änderungen automatisch auszuregeln, wird bei Linear-Optokopplern der Lichtempfänger auf der Steuerseite nochmals nachgebildet. Wird auf beide Fotodioden der gleiche Lichtanteil gekoppelt, so können Nichtlinearität und alterungsbedingte Änderungen der Sendediode optimal ausgeregelt werden. Der integrierte Aufbau und die Pinbelegung des nach diesem Prinzip arbeitenden Linear-Optokopplers IL 300 von Siemens ist in Abbildung 1 zu sehen. Die im IL 300 integrierte Sendediode ist mit der Katode an Pin 1 und mit der Anode an Pin 2 angeschlossen. Das Infrarotlicht wird gleichzeitig auf beide, voneinander unabhängige, PIN-Fotodioden gekoppelt, die elektrisch die gleichen Daten aufweisen. Aufgrund der mechanischen Anordnung im Gehäuse ist die an Pin 3 und Pin 4 angeschlossene Fotodiode als Servo-Fotodiode vorgesehen, die ein Rückführungssignal zur Steuerung des Durchflußstroms IF der an Pin 1 und Pin 2 angeschlossenen Sendediode liefert. Der Fotostrom der Servodiode ist dabei dem einfallenden Strahlungsfluß direkt proportional. Die Sendediode wird üblicherweise in einer optischen Regelschleife betrieben, so daß deren Ausgangs-Strahlungsfluß linearisiert wird. Die Abhängigkeit von Temperatur und Alterung wird dadurch verhindert. Der Fotostrom der Ausgangsdiode ist ebenfalls dem einfallenden Strahlungsfluß und somit auch dem Fotostrom der Rück2 kopplungsdiode direkt proportional. Die Übertragungsverhältnisse innerhalb des Bausteins werden durch Koppelfaktoren angegeben, wobei das Übertragungsverhältnis zwischen der Sendediode und der Servodiode durch den Koppelfaktor K 1 und das Übertragungsverhältnis der Sendediode und der Ausgangsdiode durch den Koppelfaktor K 2 ausgedrückt wird. Das Verhältnis der beiden internen Koppelfaktoren ergibt dann die Gesamtübertragungsrate K 3 (K 3 = K 2 / K 1). Der IL 300 ist entsprechend Tabelle 1 selektiert nach 10 unterschiedlichen Koppelfaktoren lieferbar. Die Empfangsdioden des IL 300 sind wahlweise als fotovoltaische oder als fotoleitende Stromquellen einsetzbar. Im fotovoltaischen Betrieb wird jedoch die höchste Linearität, das geringste Rauschen und somit das stabilste Verhalten erreicht. Der Übertragungsfrequenzbereich, d. h. die Bandbreite hingegen ist im fotoleitenden Betrieb größer. Da jedoch in einer Audioanwendung die maximale Signalbandbreite von 200 kHz nicht erforderlich ist, liegen die meisten Vorteile im fotovoltaischen Betrieb. Unsere optoelektronische Audiosignaltrennung ist mit einem eingebauten 230VNetzteil in einem Kunststoffgehäuse untergebracht und verarbeitet Audioeingangssignale von < 20 Hz bis > 40 kHz mit ± 1 dB. Der maximale Eingangspegel beträgt ca. 4 Vss und die Verstärkung wird auf 0 dB fest eingestellt. Das Gerät ist einfach in den Signalweg einzuschleifen, ohne daß dabei eine Bedienung erforderlich ist. Schaltung In Abbildung 2 ist das Netzteil und inAbbildung 3 die Schaltung des eigentlichen Trennverstärkers zu sehen. Da die Stufen des rechten und linken Stereokanals völlig identisch aufgebaut sind, wurde in Abbildung 3 nur ein Kanal dargestellt. Im Schaltbild gelten die direkten Bauteilbezeichnungen daher für den linken Kanal, und die Bauteilnumerierungen für den rechten Kanal stehen in Klammern. Die Schaltungsbeschreibung beginnen wir mit der Netzteilschaltung in Abbildung 2. Da es sich um eine Trennschaltung handelt, sind zur Spannungsversorgung der Einund Ausgangsstufen voneinander galvanisch getrennte Betriebsspannungen erforderlich. Die Trennung im Netzteil wird durch zwei voneinander unabhängige Sekundärwicklungen des Netztrafos erreicht. In unserer Schaltung dient die obere Trafowicklung zur Versorgung der eingangsseitigen Elektronik, und die untere Sekundärwicklung versorgt die Ausgangsstufen der Linear-Optokoppler. Die beiden voneinander unabhängigen Netzteilschaltungen sind identisch aufgebaut, wobei die Wechselspannung der jeweiligen Sekundärwicklung zuerst auf einen Brückengleichrichter gelangt. Nach der Gleichrichtung nehmen dann die Elkos C 1 und C 6 eine erste Pufferung vor und die Keramikkondensatoren C 2 und C 7 verhindern hochfrequente Störeinflüsse. Sowohl die Ein- als auch die Ausgangsverstärker der Optokoppler benötigen eine negative Hilfsspannung, die mit Hilfe der Z-Dioden D 10 und D 11 in den Minusleitungen der beiden Spannungsregler (IC 1, IC 2) erzeugt werden. Durch die jeweilige Z-Diode wird dann das Massepotential ca. 2,7 V über dem Minusanschluß liegen. Zur Versorgung der Eingangsverstärker stehen somit +5 V und -2,7 V und zur Versorgung der Ausgangsverstärker +8 V und -2,7 V zur Verfügung. Die über R 15 mit Spannung versorgte Leuchtdiode D 9 dient zur Betriebsanzeige des Gerätes und die Elkos und Keramikkondensatoren an den Ausgängen der Spannungsregler verhindern Störungen und Schwingneigungen. Nach der Beschreibung der Netzteilschaltung kommen wir nun zum eigentlichen Trennverstärker in Abbildung 3. Die Schaltung kann bipolare Signale verarbeiten, und die Fotodioden arbeiten im fotovoltaischen Betrieb. Die Katode der Servodiode ist direkt mit dem invertierenden Eingang, die Anode ist direkt mit dem nicht-invertierenden Eingang (Schaltungsmasse) des Operationsverstärkers IC 3 A verbunden. Da zur Übertragung von bipolaren Signalen vorgespannte Verstärkerstufen erforderlich sind, wird über den Widerstand R 3 ein Strom von ca. 100 µA eingeprägt. Im Ruhezustand, d. h. ohne NF-Eingangssignal, kann sich an den Eingängen des Operationsverstärkers dann ein Gleichgewicht einstellen, wenn sich der Ruhestrom der Servo-Fotodiode (an Pin 3 und Pin 4) ebenfalls auf 100 µA einstellt. Dieser Strom ist wiederum direkt vom Strom durch die Infrarot-Sendediode an Pin 1 und Pin 2 abhängig. Typ IL 300 A IL 300 B IL 300 C IL 300 D IL 300 E IL 300 F IL 300 G IL 300 H IL 300 I IL 300 J Tabelle 1 Koppelfaktor K3 0,560 bis 0,623 0,623 bis 0,693 0,693 bis 0,769 0,760 bis 0,855 0,855 bis 0,950 0,950 bis 1,056 1,056 bis 1,175 1,175 bis 1,304 1,304 bis 1,449 1,449 bis 1,610 ELVjournal 3/99 mit 11 Metallfilm-Widerständen, deren AnschlußTR1 beinchen zuerst auf Raster2 8 C5 maß abzuwinkeln, dann C4 C3 C1 C2 4x durch die zugehörigen PlatiIC3 12V 1N4001 KL1 ~ LM358 60mA 100n nenbohrungen zu führen und 10u 100n 470u 100n ker ker 25V 40V ker 4 an der Lötseite leicht anzu230V ~ GND1 GND1GND1 GND1 winkeln sind. 50Hz ZPD2V7 Nach dem Verlöten sämt-UB1 12V ~ +8V licher Anschlußbeinchen in 60mA 1 IC2 3 78L08 einem Arbeitsgang werden +UB2 die überstehenden Drahten2 1,5VA 8 C10 C8 C9 den, wie auch bei den nachC7 C6 D9 IC4 folgend zu bestückenden be4x LM358 1N4001 100n 10u 100n drahteten Bauteilen, direkt ker 25V ker 100u 100n 4 ker 40V oberhalb der Lötstellen abGND2 GND2 GND2 GND2 Bild 2: geschnitten. GND2 ZPD2V7 Betrieb Stromversorgung des Es folgt in gleicher Weise -UB2 Stereo-Trennverstärkers die Bestückung der Dioden. Dabei ist unbedingt die korDer Ausgangs-Fotostrom der an Pin 5 schen Trennung dient, ist mit R 5 eine rekte Polarität der an der Katodenseite (Pfeilspitze) durch einen Ring gekennzeichund Pin 6 extern zugänglichen Fotodiode Verstärkung von 0 dB einzustellen. ist ebenfalls direkt vom Strahlungsfluß der R 7 bestimmt die Ausgangsimpedanz neten Bauteile zu beachten. Die in erste Linie zur Abblockung dieSendediode abhängig und somit auch di- der Schaltung, und über C 13 wird das rekt proportional zum Fotostrom der Ser- Audiosignal direkt auf die Ausgangsbuch- nenden Keramik-Kondensatoren sind mit möglichst kurzen Anschlußbeinchen anvodiode. se BU 3 gekoppelt. Das Audio-Eingangssignal des linken Der Kondensator C 17 im Rückkopplungs- zulöten, und bei den überlicherweise am Stereokanals wird der Schaltung, auf Ein- zweig dient ausschließlich zur Schwingnei- Minuspol gekennzeichneten ElektrolytKondensatoren ist auf die korrekte Polarigangsmasse bezogen, an BU 1 zugeführt gungsunterdrückung. tät zu achten. und mit C 11 gleichspannungsmäßig entDanach sind die Kleinsignal-Transistokoppelt. Nachbau ren und die Spannungsregler IC 1 und IC 2 Über R 2 wird ein direkt zum Eingangssignal proportionaler Strom eingeprägt, Eine einseitige Leiterplatte mit den Ab- einzulöten. Die weiteren integrierten Schaltkreise sind wobei die maximal zulässige Signalampli- messungen 135 mm x 69 mm dient zur tude von der Dimensionierung dieses Wi- Aufnahme von sämtlichen Komponenten entweder an der Pin 1 zugeordneten Seite derstandes abhängig ist. unseres Stereo-Trennverstärkers. Da aus- durch eine Gehäusekerbe oder an Pin 1 In der vorliegenden Dimensionierung schließlich konventionelle bedrahtete Bau- durch einen Punkt gekennzeichnet. Die sind Signalampliduten von ±2 V bei ei- teile zum Einsatz kommen, ist der prakti- Bestückung erfolgt entsprechend des Symbols im Bestückungsdruck. nem Übertragungsbereich von < 20 Hz sche Aufbau einfach. Beim Einlöten der beiden Einstelltrimbis > 40 kHz zu verarbeiten. Der maximaAchtung! le Servo-Fotostrom fließt bei einer SignalDer Aufbau und die Inbetriebnahme mer (R 5, R 11) ist eine zu große Hitzeamplitude von +2 V. des Trennverstärkers dürfen aufgrund einwirkung auf das Bauteil zu vermeiden. Die Ausgangs-Fotodiode ist mit der der darin frei geführten Netzspannung Die Anschlußbeinchen der Leuchtdiode D Anode am nicht-invertierenden Eingang ausschließlich von Fachleuten durchge- 9 zur Betriebsanzeige sind ca. 1 bis 2 mm (Pin 3) und mit der Katode am invertieren- führt werden, die hierzu aufgrund ihrer hinter dem Gehäuseaustritt polaritätsrichden Eingang (Pin 2) des Operationsver- Ausbildung befugt sind. Die geltenden tig abzuwinkeln. Die LED wird dann distärkers IC 4 A angeschlossen. VDE- und Sicherheitsvorschriften sind rekt liegend auf die Leiterplatte gelötet. Besondere Sorgfalt ist beim Einlöten Die Ausgangsspannung an IC 4 Pin 1 ist unbedingt zu beachten. gleich dem Produkt aus dem Fotostrom der Trotz einseitiger Leiterplatte sind inner- des 230V Netztransformators und der NetzAusgangs-Fotodiode und dem Gesamt- halb des Gerätes keine Drahtbrücken er- Schraubklemmleiste KL 1 geboten. Als letztes Bauteil bleibt nur noch die Rückkopplungswiderstand (R 5 + R 6). Da forderlich. die Schaltung ausschließlich zur galvaniWir beginnen die Bestückungsarbeiten Cinch-Anschlußplatte mit den vier Cinch1 IC1 78L05 +5V 3 R15 1k D4 D6 D8 D11 D3 D5 D7 993170101A D10 D2 D1 +UB1 +5V 993170102A IC3 GND1 2 (6) + A(B) + - C11(C14) Pegel max. 1,4Veff R2 (R8) 22k LM358 33p ker ELVjournal 3/99 R5(R11) 1 8 2 7 Verstarkung 6 2 (6) 10k 3 Servodiode K1 K2 4 5 GND1 3 (5) GND2 150p ker R6(R12) 15k IC4 C13 (C16) - A (B) PinFotodiode IL300H CinchBuchse GND1 IC5 (IC6) IRSendediode 2u2 63V L(R) BU1(BU2) C17 (C18) T1 (T2) 1 (7) C12 (C15) 3(5) Bild 3: Optischer Trennverstärker eines StereoKanals R4(R10) 100 R3(R9) 47k BC558 + + LM358 1 (5) R7(R13) 1k 10u 40V L(R) BU3(BU4) CinchBuchse GND2 3 Bau- und Bedienungsanleitung rätes keine Metallgegenstände berühren können. Nach einer gründlichen Sichtkontrolle hinsichtlich Löt- und Bestückungsfehler wird mit einer Knippingschraube 2,9 x 9,5 mm die Frontplatte angeschraubt und die soweit fertiggestellte Konstruktion mit 4 Knippingschrauben 2,9 x 6,5 mm in die Gehäuse-Unterhalbschale montiert. Nun kann ein erster Funktionstest erfolgen und mit R 5 und R 11 die Verstärkung auf 0 dB eingestellt werden (d. h. die Ein- und Ausgangssignale müssen den gleichen Signalpegel aufweisen). Stehen keine Meßmöglichkeiten zur Verfügung, so ist der Abgleich auch einfach nach Gehör (gleiche Lautstärke mit und ohne Trennverstärker) durchzuführen, ohne daß dabei Qualitätseinbußen auftreten. Im letzten Arbeitsschritt ist mit den zugehörigen Gehäuseschrauben das Gehäuseoberteil zu montieren und die selbstklebenden Gummifüße anzubringen. Nun kann der Optische Trennverstärker in der Praxis Einsatz finden. Ansicht der fertig bestückten Platine mit zugehörigem Bestückungsplan Buchsen einzubauen. Nach dem Einrasten des Bauteils in die zugehörigen Bohrungen der Leiterplatte sind die Anschluß-Pins mit ausreichend Lötzinn festzusetzen. Zum Anschluß der 230V-Netzzuleitung ist zuerst eine Gummi-Durchführungstülle in die zugehörige Bohrung der Gehäuserückwand zu drücken. Das 2adrige Netzkabel wird dann von außen durchgeführt und auf 10 mm Länge die äußere Ummantelung entfernt. Nun sind die beiden Innenadern auf 5 mm Länge abzuisolieren und Aderendhülsen aufzuquetschen. Alsdann werden die Leitungsenden in die 2polige Netz-Schraubklemmleiste geführt und sorgfältig verschraubt. Mit einer Zugentlastungsschelle, 2 Schrauben M 3 x 12 mm, 2 Zahnscheiben und 2 Muttern M 3 ist die äußere Ummantelung der Netzzuleitung auf der Platine festzusetzen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß die Leitungsenden nicht auf Spannung montiert werden. Selbst wenn eine Schraubklemme sich löst, dürfen die Leitungen innerhalb des Ge4 Stückliste: Optischer Trennverstärker für analoge Audiosignale Widerstände: 100Ω ...................................... R4, R10 1kΩ ................................ R7, R13, R15 15kΩ ...................................... R6, R12 22kΩ ........................................ R2, R8 47kΩ ........................................ R3, R9 PT10, liegend, 25kΩ .............. R5, R11 Kondensatoren: 33pF/ker ............................... C12, C15 150pF/ker ............................. C17, C18 100nF/ker .......................... C2, C4, C5, C7, C9, C10 2,2µF/63V ............................ C11, C14 10µF/25V ................ C3, C8, C13, C16 100µF/40V ...................................... C6 470µF/40V ...................................... C1 Halbleiter: 78L05 ............................................. IC1 78L08 ............................................. IC2 LM358 ................................... IC3, IC4 BC558 ....................................... T1, T2 IL300 (G oder H) ................... IC5, IC6 BC558 ....................................... T1, T2 1N4001 ...................................... D1-D8 ZPD2,7V .............................. D10, D11 LED, 5mm, rot ................................ D9 Sonstiges: Netzschraubklemme, 2polig ........ KL1 Trafo, 1,5VA, 2 x 12V/60mA ....... TR1 1 Cinch-Anschlußplatte, 4polig .................................. BU1-BU4 1 Netzkabel, 2adrig, grau 1 Zugentlastungsschelle 4 Knippingschrauben, 2,9 x 6,5mm 1 Knippingschraube 2,9 x 9,5mm 2 Zylinderkopfschrauben, M3 x 14mm 2 Muttern, M3 2 Fächerscheiben, M3 2 Aderendhülsen 0,75mm ELVjournal 3/99
